油气井固井注水泥顶替理论与技术综述.pdf

文章编号 10045716 2005 12008503中图分类号 TE25611 文献标识码B 油气井固井注水泥顶替理论与技术综述 舒秋贵 西华师大国土资源学院,四川 南充637002 摘 要油气井固井要得到好的固井质量,必须充分“ 替净 ” 。传统的顶替方式为轴向一维顶替,该顶替理论研究获得一 系列成果,较为完善。但因一维轴向顶替自身的缺点,难以将近壁泥浆、 虚泥饼驱替干净,对变径井眼造成的回流更是 无能为力。使用螺旋流顶替理论上能克服这一缺点,大大改善顶替效率。但此项技术起步较晚,研究成果很少,理论很 不完善,从而使其应用受到限制。叙述了两种顶替理论的研究成果及各自存在的问题,以求为今后的研究提供思路。 关键词油气井;固井;轴向流顶替;螺旋流顶替 要得到好的固井质量,必须尽量提高顶替效率即保证所需 封固段完全为水泥所充满 ; 水泥浆对泥浆的顶替效率差,将从 以下几个方面影响固井质量 1注水泥过程中因顶替效率不高导致泥浆窜槽,为环空窜 流提供了便捷的通道; 2因顶替效率低而附着于管壁和井壁的虚泥饼和或附 着膜随着水泥水化脱水而发生干裂,从而在两个界面将产生微 缝隙,这为油气水窜提供了有利通道; 3因替净程度差,水泥浆与泥浆掺混,直接影响水泥浆水 泥水化,影响水泥浆的性能,影响后期水泥石强度,增大水泥石渗 透率,影响界面胶结质量,从而引发地层流体发生窜流。 因此,“ 替净 ” 是保证固井质量的必要条件。提高顶替效率、 力求环空封固段“ 替净 ” 一直是固井研究人员和工程师们努力的 一个方向。现就这方面的研究成果和技术发展的情况作一简要 概述与评价。 1 传统轴向流顶替理论及技术的发展及其不足 1. 1 轴向流顶替技术发展概述 顶替技术中,传统的顶替方式是一维轴向流顶替。 为了加强特殊阶段的顶板管理,确保生产安全,在回采1312 西工作面压力突变区期间,实施矿压观测,并对观测数据整理分 析和信息反馈。 4. 1 测区布置 根据1312西工作面长度及特点,设置10个测点。从工作面的 运输巷向里第十对π型梁为第一测点,往后每隔18对设一测点。 4. 2 数据分析 从新切眼开始到工作面推过老切眼10m,共进行了35天的 矿压观测。工作面平均单体支柱工作阻力和工作面与老切眼距 离的关系如图2所示。 图2 工作阻力与工作面和老切眼距离关系 从图2可以看出,随着工作面与老切眼距离的接近,工作面 的压力逐步上升,到老切眼附近时,达到最大值205kN,过老切眼 后,工作面进入“ 活矸区 ”,压力突然下降。过了“ 活矸区 ” 后,矿 压显现趋于正常。 从以上矿压信息得出,我们对压力突变区顶板运动规律的预 计是与实际相符的。而且,通过实践验证,我们对压力突变区的 顶板控制设计是完全可行的。 5结论 通过在唐阳煤矿1312西工作面网下放顶煤压力突变区开采 技术的工程实践,得出如下结论 1压力突变区顶板运动规律的预计为顶板控制设计提供 了理论依据,并且,通过实践验证,该理论依据是完全可靠的。 2压力突变区的采煤工艺是安全可靠的,并为正常网下放 顶煤开采作了技术和设备的准备。 3在压力突变区工作面顶板控制要采取特殊措施。在应 力集中区内,不放顶煤,加快推进速度,同时调斜工作面;在应力 集中区向“ 活矸区 ” 过度中,主要是加强支柱的稳定性,在采空区 侧设一排戗柱或架棚防推。 4经过理论分析和生产实践,证明特殊阶段网下放顶煤技 术在类似唐阳煤矿1312西工作面条件下可推广应用。 参考文献 [1 ] 宋振骐.实用矿山压力控制[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1988. 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Crook等连续发表 文章 [8～10] ,他们在试验的基础上,进一步总结出泥饼性能和最大 静切力是影响顶替效率的两个最主要的因素,特别强调不流动的 泥饼和因触变性停滞在井壁的泥浆,是难以顶替干净的。并指出 高的上返速度,即使未达到紊流总比低返速下的顶替效率好。 Zurdo Norel等人 [11]进行了长达 300m的全尺寸水平井注水泥模 拟实验,研究了流态、 套管偏心、 井眼形状对顶替效率的影响; 6 1984年,国内开始了注水泥顶替研究。西南石油学院在 国内建立了环空顶替动态模拟实验装置,之后大庆石油管理局钻 井所也建立了注水泥顶替实验装置。通过大量实验研究表明,套 管的居中度、 水泥浆流态、 紊流接触时间、 钻井液的触变性和水泥 浆与泥浆的密度差,是影响水泥浆顶替效率的重要因素。其中, 套管居中度、 紊流流态及紊流接触时间是最主要的因素; 7固井界于20世纪80年代开始加强对隔离液的研究,文 献[11～14]提出隔离液能在合理的泵速下进入紊流而不产生过 大的摩阻压降;可以加重而使其密度大于泥浆但小于水泥浆,且 没有过多的固相沉降;具有低失水;给套管和地层创造水湿环境; 隔离液能与水泥浆和泥浆相容。文献[15 ]进一步总结出隔离液 设计的6个标准。 8 1991年, Jakobsen等人 [16]建立了荧光示踪法动态注水泥 模拟实验装置。国内西南石油学院根据该方法的原理建立了类 似的实验装置,并对更多的因素进行了理论和实验研究 [17] ,成果 有增大水泥浆与泥浆密度差,增大泥浆流性指数,减小水泥浆流 性指数,减小泥浆稠度系数,增大水泥浆稠度系数,增大流量,减 小套管偏心度,都有利于提高顶替效率;并提出活动套管所诱导 的回流与剪切流场是提高注水泥顶替效率的有利因素。 虽然轴向流顶替中采取了诸多配套的技术,但顶替效率仍然 不够理想。这是由于轴向流顶替自身的缺点造成的。从环空轴 向流顶替的水力学特性来看,轴向流顶替理论可从其流态分为紊 流顶替,塞流顶替,以及有效层流顶替。下面对其一一进行评价, 分析轴向顶替的缺点所在。 1. 2 紊流顶替理论 该理论认为,当流体达到紊流,流体流速剖面分布平缓,这样 有利于顶替液对被顶替液的轴向均匀顶替,而不发生顶替液的舌 进现象。该顶替方式曾一度被认为是最有效的顶替。因此,设计 者往往首先按紊流顶替进行设计;但水泥浆因其粘度大,形成紊 流时的压降大,这往往受到地层承压能力和机泵能力的限制,且 紊流边界层流速很低,驱动能力弱;尤其对于不规则井眼,往往在 局部形成回流,造成泥浆滞留,造成第二界面水泥胶结质量差。 1. 3 塞流顶替理论 塞流顶替理论认为,塞流运动的其中一大特点是流体流速剖 面非常平缓,顶替液对被顶替液都进行塞流状态流动时,二者间 不发生互相掺混,利于提高顶替效率。这项技术多应用于井壁疏 松地层和井下压力安全窗口窄的封固段固井。但因顶替液往往 受其流变性能的可调性限制,要形成宽流核、 高流速的塞流顶替 难度很大。而低速塞流顶替往往造成驱动力弱,尤其是对边壁的 高粘附的泥浆、 虚泥饼更是无能为力;小流核、 高流速的塞流顶替 往往造成顶替液的舌进,不利于顶替。 1. 4 层流顶替理论 层流顶替技术因其易造成顶替液发生舌进现象,使顶替液与 被顶替液之间相互掺混。为了克服这一缺点,理论界提出使用有 效层流顶替技术。所谓有效层流顶替是指,利用顶替液与被顶替 液的流变性差异和密度级差,使顶替液与被顶替液之间互不掺 混,从而形成均匀顶替。这种顶替理论逐渐被更多的设计者和作 业者接受和采用。但是要达到有效层流顶替,必须套管居中度 高 [42] ,而且同样存在一维顶替的缺点,即对边壁的高粘附泥浆及 虚泥饼清除效果差,对于变径、 不规则井眼造成的回流也是无能 为力。 综上分析,轴向流顶替存在的最主要的缺点是顶替液对近壁 区的驱动能力弱,造成水泥环与地层界面附近难以被替净,从而 影响第二界面的胶结质量,影响固井质量。 2 螺旋流顶替技术的研究与应用现状 顶替液的螺旋运动,其周向流速给井壁增加周向剪切驱动 力,易于携带近井壁的泥浆和冲刷井壁上的泥饼,特别在变径处, 以及对因套管偏心造成的窄边的泥浆顶替,这种效果将会更加明 显;结合轴向流的轴向驱替,形成周向流携带与冲刷和轴向流的 轴向驱替联动作用,这样可大大提高顶替效率。因它增加了主流 对井壁的接触面积,从而有利于在较低流速下有效清除钻屑和泥 浆。螺旋流为实现对泥浆的完全顶替提供了理论依据和实现的 可能。 固井领域使用螺旋流顶替技术,最早是通过顶替过程中旋转 套管来实现的。但往往因旋转扭矩较大,转速不能太快,这往往 导致效果不理想;而若加大旋转速度,则作业风险加大。尤其是 大斜度井,水平井固井,扶正器扶正能力差,造成旋转套管难度 大,这一技术更是受到限制。 而使用旋流扶正器实现螺旋流则容易得多。旋流扶正器通 过导叶的导流作用使流体形成螺旋流动。该项技术始于1986 年。此间,美国阿莫柯石油公司首先在井下成功地使用了套管刚 性旋流扶正器,使固井质量得到大大提高。1989年M. R. wells等 人首次发表了有关旋流扶正器的室内实验研究成果的论文 [18]。 68 西 部 探 矿 工 程 Dec. 2005 No. 12 该实验研究在分析旋流扶正器的几何结构、 流体性能、 井径参数 对旋流长度的综合影响的基础上建立了计算旋流长度的半经验 公式。并据此设计旋流扶正器井下安放间距。 1987年,中原油田使用了弹性旋流扶正器并取得一定成功, 1994年的实验研究认为 [19] ,旋流强度与导叶角、 流量、 流程等有 关。同年,大庆油田进行了实验研究 [20,21] ,力求通过大量实验分 析旋流角的衰减规律是很有意义的。但所统计的旋流角经验式 没有考虑旋流扶正器本身结构的影响,导致结论应用受到限制。 1994年西南石油学院蒋世全的博士毕业论文 [22]对套管装有 旋流扶正器的环空流场理论与实验研究。该文在牛顿流体环空 螺旋衰减流运动方程的基础上进行了大量的简化,得出周向速度 的衰减模型和旋流有效长度表达式,以此作为旋流扶正器井下安 放设计的依据。但理论模型中,将旋流长度的影响因素综合为环 空综合雷诺数和旋流扶正器导流角的影响,没有研究旋流扶正器 其它结构参数对旋流扶正器导流能力的影响,因此,所得出的结 论是不完善的。其理论与实验研究中均未对螺旋流场其它流动 参数如压降进行研究,旋流扶正器安放间距设计仅以单相流 的旋流轴向波及长度为依据显得不足。 通过上述文献调研可总结出旋流扶正器作用下的螺旋流顶 替理论与技术还存在以下几点不足 1没有充分研究旋流扶正器本身结构包括导叶角、 导叶 形状、 导叶高度、 旋流扶正器长度等与其导流效果之间的关系。 不同结构的旋流扶正器作用的旋流强度不同,产生的能耗也不 同。而旋流扶正器作用的旋流强度越大、 能耗越小,认为旋流扶 正器结构越好。因此,旋流扶正器本身的结构与其导流能力关系 研究具有很重要的意义。且旋流扶正器的流动阻力比直条扶正 器大得多,施工设计时不可将其忽略。 2旋流扶正器作用的环空螺旋流动规律研究中没有综合 考虑旋流扶正器结构和环空螺旋流场的压降、 周向速度之间的关 系,因此所得出的结论不具有普遍性,从而使应用受到一定限制; 3旋流扶正器的间距设计理念过于简单化。单纯根据旋流 扶正器的轴向波及长度进行旋流扶正器井下间距设计显得不足。 总体上,旋流扶正器作用的螺旋流及其在提高水泥浆顶替效 率应用方面的理论和实验研究很少,很不完善。旋流扶正器作用 下的环空螺旋流顶替与以往的轴向流顶替是两种截然不同的顶 替方式。因此用以往的轴向流顶替理论来指导固井施工显然不 合适。没有成熟的理论技术指导现场应用,导致国内油田迄今对 旋流扶正器的使用很少。而国外Weatherford、Milan、Amoca等固 井服务公司一直着力于开发新产品并大量生产,旋流扶正器的安 放间距设计方法也已编制成商业软件 [1]。表明旋流扶正器在国 外得到普遍应用。也蕴示着旋流扶正器对提高固井质量具有重 要的价值。因此,国内应加强此项技术的研究,以缩短与国外的 差距。 3 结论 1在固井技术中,提高对泥浆的顶替效率是至关重要的。 只有充分的“ 替净 ”,才能保证水泥环与地层和套管良好的胶结; 2轴向一维顶替理论长时间得到较大发展和完善。但是, 由于该顶替技术本身的弱点,不能完全有效提高顶替效率; 3螺旋流顶替技术能克服轴向一维顶替技术的缺点,大大 提高顶替效率;但该项技术理论研究很少,尤其是国内。加强此 项技术的研究有着重要的理论意义和实际价值。 参考文献 [1 ] Jones, P. 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